Stålsmelting: teknologi, metoder, råvarer

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 14:00

Jernmalm oppnås på vanlig måte: dagbrudd eller underjordisk gruvedrift og påfølgende transport for innledende klargjøring, hvor materialet knuses, vaskes og bearbeides.

Malmen helles i en masovn og sprenges med varmluft og varme, som gjør den til smeltet jern. Det blir deretter fjernet fra bunnen av ovnen til former kjent som griser, hvor det avkjøles for å produsere råjern. Det gjøres om til smijern eller bearbeides til stål på flere måter.

Hva er stål?

I begynnelsen var det jern. Det er et av de vanligste metallene i jordskorpen. Den finnes nesten over alt, i kombinasjon med mange andre elementer, i form av malm. I Europa dateres jernarbeid tilbake til 1700 f. Kr.

I 1786 bestemte franske forskere Berthollet, Monge og Vandermonde nøyaktig at forskjellen mellom jern, støpejern og stål skyldes forskjellig karboninnhold. Ikke desto mindre ble stål laget av jern raskt det viktigste metallet i den industrielle revolusjonen. På begynnelsen av 1900-tallet var verdens stålproduksjon 28millioner tonn - dette er seks ganger mer enn i 1880. Ved begynnelsen av første verdenskrig var produksjonen 85 millioner tonn. I flere tiår har den praktisk t alt erstattet jern.

Karboninnhold påvirker egenskapene til metallet. Det er to hovedtyper stål: legert og ulegert. Stållegering refererer til andre kjemiske elementer enn karbon tilsatt jern. Dermed brukes en legering av 17 % krom og 8 % nikkel for å lage rustfritt stål.

For tiden er det mer enn 3000 katalogiserte merker (kjemiske sammensetninger), ikke medregnet de som er laget for å møte individuelle behov. Alle bidrar til å gjøre stål til det best egnede materialet for fremtidens utfordringer.

Råvarer til stålfremstilling: primære og sekundære

Smelting av dette metallet ved hjelp av mange komponenter er den vanligste gruvemetoden. Ladematerialer kan være både primære og sekundære. Hovedsammensetningen av ladningen er som regel 55% råjern og 45% av det gjenværende skrapmetallet. Ferrolegeringer, omdannet støpejern og kommersielt rene metaller brukes som hovedelementet i legeringen, som regel klassifiseres alle typer jernholdige metaller som sekundære.

Jernmalm er det viktigste og mest grunnleggende råstoffet i jern- og stålindustrien. Det trengs omtrent 1,5 tonn av dette materialet for å produsere et tonn råjern. Omtrent 450 tonn koks brukes til å produsere ett tonn råjern. Mange jernverkdet brukes til og med trekull.

Vann er en viktig råvare for jern- og stålindustrien. Den brukes hovedsakelig til koksslukking, masovnskjøling, dampproduksjon av kullovnsdører, drift av hydraulisk utstyr og avløpsvann. Det trengs omtrent 4 tonn luft for å produsere et tonn stål. Fluss brukes i masovnen for å trekke ut forurensninger fra smelteverksmalm. Kalkstein og dolomitt kombineres med de ekstraherte urenhetene og danner slagg.

Både masovner og stålovner foret med ildfaste materialer. De brukes til frontovner beregnet for smelting av jernmalm. Silisiumdioksid eller sand brukes til støping. Ikke-jernholdige metaller brukes til å produsere stål av forskjellige kvaliteter: aluminium, krom, kobolt, kobber, bly, mangan, molybden, nikkel, tinn, wolfram, sink, vanadium, etc. Blant alle disse ferrolegeringene er mangan mye brukt i stålproduksjon.

Jernavfall fra demonterte fabrikkkonstruksjoner, maskineri, gamle kjøretøy osv. resirkuleres og brukes mye i industrien.

Iron for steel

Stålsmelting med støpejern er mye mer vanlig enn med andre materialer. Støpejern er et begrep som vanligvis refererer til gråjern, men det er også identifisert med en stor gruppe ferrolegeringer. Karbon utgjør ca. 2,1 til 4 vekt% mens silisium typisk er 1 til 3 vekt% i legeringen.

Jern- og stålsmelting skjer ved en temperatursmeltepunkt mellom 1150 og 1200 grader, som er omtrent 300 grader lavere enn smeltepunktet til rent jern. Støpejern viser også god flyt, utmerket bearbeidbarhet, motstand mot deformasjon, oksidasjon og støping.

Stål er også en legering av jern med variabelt karboninnhold. Karboninnholdet i stål er 0,2 til 2,1 masse%, og det er det mest økonomiske legeringsmaterialet for jern. Å smelte stål fra støpejern er nyttig for en rekke tekniske og strukturelle formål.

Jernmalm for stål

Prosessen med å lage stål begynner med bearbeiding av jernmalm. Bergarten som inneholder jernmalm, knuses. Malm utvinnes ved hjelp av magnetiske valser. Finkornet jernmalm bearbeides til grovkornede klumper for bruk i en masovn. Kull raffineres i en koksovn for å produsere en nesten ren form for karbon. Blandingen av jernmalm og kull varmes deretter opp for å produsere smeltet jern, eller råjern, som stål er laget av.

I hovedoksygenovnen er smeltet jernmalm hovedråstoffet og blandes med ulike mengder skrapstål og legeringer for å produsere ulike stålkvaliteter. I en lysbueovn smeltes resirkulert stålskrap direkte til nytt stål. Omtrent 12 % av stålet er laget av resirkulert materiale.

Smelteteknologi

Smelting er en prosess der et metall oppnås enten i form av et grunnstoff,enten som en enkel forbindelse fra malmen ved oppvarming til over smeltepunktet, vanligvis i nærvær av oksidasjonsmidler som luft eller reduksjonsmidler som koks.

I stålproduksjonsteknologi blir metallet som er kombinert med oksygen, som jernoksid, varmet opp til høy temperatur, og oksidet dannes i kombinasjon med karbon i drivstoffet, som frigjøres som karbonmonoksid eller karbon dioksid. Andre urenheter, samlet k alt årer, fjernes ved å tilsette en strøm som de kombineres med for å danne slagg.

Moderne stålproduksjon bruker en etterklangsovn. Den konsentrerte malmen og strømmen (vanligvis kalkstein) lastes på toppen, mens den smeltede matten (forbindelse av kobber, jern, svovel og slagg) trekkes fra bunnen. En ny varmebehandling i en omformerovn er nødvendig for å fjerne jern fra den matte overflaten.

oksygenkonvektormetode

BOF-prosessen er verdens ledende stålfremstillingsprosess. Verdensproduksjonen av konverterstål utgjorde i 2003 964,8 millioner tonn eller 63,3 % av den totale produksjonen. Konverterproduksjon er en kilde til miljøforurensning. Hovedproblemene med dette er reduksjon av utslipp, utslipp og reduksjon av avfall. Essensen deres ligger i bruken av sekundær energi og materielle ressurser.

Eksoterm varme genereres av oksidasjonsreaksjoner under utblåsning.

Hovedprosessen for stålfremstilling med vår egenaksjer:

• Smeltet jern (noen ganger k alt varmt metall) fra en masovn helles i en stor ildfast foret beholder k alt en øse.
• Metallet i øsen sendes direkte til hovedstadiet for stålproduksjon eller forbehandling.
• Høyrent oksygen ved et trykk på 700-1000 kilopascal injiseres med supersonisk hastighet på overflaten av jernbadet gjennom en vannkjølt lanse som er suspendert i et kar og holdt noen få fot over badekaret.

Beslutningen om forbehandling avhenger av kvaliteten på det varme metallet og ønsket endelig stålkvalitet. De aller første avtakbare bunnomformere som kan tas av og repareres er fortsatt i bruk. Spydene som ble brukt til å blåse er endret. For å hindre fastklemming av lansen under blåsing ble det brukt slissekrager med en lang avsmalnende kobberspiss. Spissene på spissen, etter forbrenning, brenner av CO som dannes når den blåses inn i CO_{2 og gir ekstra varme. Dart, ildfaste kuler og slaggdetektorer brukes til å fjerne slagg.}

Oxygen-konvektormetoden: fordeler og ulemper

Krever ikke kostnadene for gassrenseutstyr, siden støvdannelse, dvs. jernfordampning, reduseres med 3 ganger. På grunn av reduksjonen i utbyttet av jern, observeres en økning i utbyttet av flytende stål med 1,5 - 2,5%. Fordelen er at blåseintensiteten i denne metoden øker, noe som girmuligheten til å øke ytelsen til omformeren med 18%. Kvaliteten på stålet er høyere fordi temperaturen i rensesonen er lavere, noe som gir mindre nitrogendannelse.

Manglene ved denne metoden for stålsmelting førte til en nedgang i etterspørselen etter forbruk, ettersom nivået på oksygenforbruket øker med 7 % på grunn av det høye forbruket av drivstoffforbrenning. Det er økt hydrogeninnhold i det resirkulerte metallet, derfor tar det litt tid etter endt prosess å gjennomføre en rensing med oksygen. Blant alle metodene har oksygenkonverter den høyeste slaggdannelsen, årsaken er manglende evne til å overvåke oksidasjonsprosessen inne i utstyret.

Open-hearth method

Den åpne ildsted-prosessen i det meste av 1900-tallet var hoveddelen av behandlingen av alt stål laget i verden. William Siemens, på 1860-tallet, søkte et middel for å heve temperaturen i en metallurgisk ovn, og gjenopplivet et gammelt forslag om å bruke spillvarmen som genereres av ovnen. Han varmet opp mursteinen til høy temperatur, og brukte deretter samme vei for å føre luft inn i ovnen. Den forvarmede luften økte temperaturen på flammen betydelig.

Naturgass eller atomiserte tungoljer brukes som drivstoff; luft og drivstoff varmes opp før forbrenning. Ovnen er lastet med flytende råjern og stålskrap sammen med jernmalm, kalkstein, dolomitt og flussmidler.

Selve ovnen er laget avsvært ildfaste materialer som magnesit-ildstein. Ovner med åpen ild veier opptil 600 tonn og installeres vanligvis i grupper, slik at det massive hjelpeutstyret som trengs for å lade ovner og behandle flytende stål effektivt kan brukes.

Selv om prosessen med åpen ild er nesten fullstendig erstattet i de fleste industrialiserte land av den grunnleggende oksygenprosessen og lysbueovnen, utgjør den omtrent 1/6 av alt stål produsert over hele verden.

Fordeler og ulemper med denne metoden

Fordelene inkluderer brukervennlighet og enkel produksjon av legert stål med ulike tilsetningsstoffer som gir materialet ulike spesialiserte egenskaper. Nødvendige tilsetningsstoffer og legeringer tilsettes umiddelbart før slutten av smeltingen.

Ulempene inkluderer redusert effektivitet sammenlignet med oksygenkonverteringsmetoden. Kvaliteten på stålet er også lavere sammenlignet med andre metallsmeltemetoder.

Elektrisk stålfremstillingsmetode

Den moderne metoden for å smelte stål med våre egne reserver er en ovn som varmer opp et ladet materiale med en lysbue. Industrielle lysbueovner varierer i størrelse fra små enheter med en kapasitet på omtrent ett tonn (brukes i støperier for produksjon av jernprodukter) til 400 tonns enheter brukt i sekundærmetallurgi.

bueovner,brukt i forskningslaboratorier kan ha en kapasitet på bare noen få titalls gram. Industrielle elektriske lysbueovnstemperaturer kan nå opptil 1800 °C (3, 272 °F), mens laboratorieinstallasjoner kan overstige 3000 °C (5432 °F).

Lbueovner skiller seg fra induksjonsovner ved at ladematerialet blir direkte utsatt for en elektrisk lysbue, og strømmen i terminalene går gjennom det ladede materialet. Den elektriske lysbueovnen brukes til stålproduksjon, består av en ildfast foring, vanligvis vannkjølt, stor størrelse, dekket med et uttrekkbart tak.

Ovnen er hovedsakelig delt inn i tre seksjoner:

• Skall bestående av sidevegger og nedre stålskål.
• Ildstedet består av et ildfast materiale som trekker ut den nedre bollen.
• Det ildfaste forede eller vannkjølte taket kan lages som en kuleseksjon eller en avkortet kjegle (konisk seksjon).

Fordeler og ulemper med metoden

Denne metoden inntar en ledende posisjon innen stålproduksjon. Stålsmeltemetoden brukes til å lage metall av høy kvalitet som enten er fullstendig blottet for, eller inneholder en liten mengde uønskede urenheter som svovel, fosfor og oksygen.

Hovedfordelen med metoden er bruken av elektrisitet til oppvarming, slik at du enkelt kan kontrollere smeltetemperaturen og oppnå en utrolig oppvarmingshastighet av metallet. Automatisert arbeid vil bliet hyggelig tillegg til den utmerkede muligheten for høykvalitetsbehandling av diverse skrapmetall.

Ulempene inkluderer høyt strømforbruk.